Con la aplicación de tecnología avanzada en la guerra militar, la situación de las pérdidas de personal y propiedad se está volviendo cada vez más compleja. Por lo tanto, también se debe realizar una investigación y aplicación en profundidad de materiales a prueba de balas. Las armaduras cerámicas y los materiales compuestos reforzados con fibra son importantes direcciones de investigación y aplicación. Se brinda una descripción general de la nueva placa cerámica compuesta a prueba de balas y los materiales compuestos de aramida a prueba de balas, se realiza una comparación entre la nueva placa cerámica compuesta a prueba de balas y la placa a prueba de balas tradicional, y se presentan sus características y algunos problemas que aún existen en la investigación y aplicación actuales. analizado; Se lleva a cabo el mecanismo a prueba de balas del material compuesto a prueba de balas de aramida. Describir detalladamente y señalar los principales factores que afectan el rendimiento de los materiales compuestos balísticos de aramida.
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Nueva placa antibalas de cerámica compuesta
La investigación sobre armaduras cerámicas es una parte importante del desarrollo y aplicación de materiales compuestos a prueba de balas. El efecto de protección balística de las armaduras cerámicas es superior al de las armaduras de acero ordinarias. Actualmente, las armaduras pasivas y reactivas son las más investigadas y aplicadas. En términos de mecanismo a prueba de balas, el material de la armadura en la armadura reactiva generará energía cinética después de ser excitado por la bala, y la energía cinética reacciona sobre la bala, mientras que la armadura pasiva resiste el impacto de la bala a través de sus propias características. Hoy en día, Estados Unidos, Rusia y otros países han utilizado cerámicas y materiales compuestos para desarrollar sistemas de blindaje con mejor eficiencia de peso, y han desarrollado blindajes de paneles cerámicos, que se han utilizado ampliamente.
1.1 Mecanismo a prueba de balas
Cuando una bala golpea la placa antibalas de cerámica compuesta a alta velocidad, el principio de fuerza de acción y fuerza de reacción se utiliza para hacer que entre en la placa antibalas a alta velocidad y luego rebote a alta velocidad con la fuerza opuesta en el interior, formando aproximadamente agujero de bala circular en la superficie. Logra el propósito de destruir sólo la superficie de la placa antibalas sin causar daños fatales a la placa antibalas compuesta en general, logrando así la protección contra balas.
1.2 Parámetros de rendimiento de las nuevas placas antibalas cerámicas compuestas
Las principales características de los materiales cerámicos se muestran en la Tabla 1.
Los materiales cerámicos tienen una alta rigidez específica, una alta resistencia específica y una inercia química en muchos entornos. Al mismo tiempo, su baja densidad, alta dureza y alta resistencia a la compresión en comparación con los metales los hacen más utilizados. El aluminio de alta pureza tiene mayor densidad, menor dureza y tenacidad a la fractura, por lo que su resistencia elástica es menor; la estructura de la cerámica de carburo de silicio hace que tenga alta resistencia, alta dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, alta conductividad térmica y otras propiedades; El diboruro de titanio tiene un módulo elástico elevado; El carburo de boro tiene un alto punto de fusión, excelente dureza y propiedades mecánicas, y su densidad es la más baja entre varios materiales cerámicos comúnmente utilizados. Además, el módulo elástico es alto, lo que lo convierte en una opción ideal para armaduras militares. y una buena elección de materiales en el campo espacial.
Las principales características de los materiales compuestos se muestran en la Tabla 2.
Además de tener un determinado módulo, los materiales compuestos a prueba de balas también deben tener buen alargamiento, tenacidad a la fractura, alta resistencia específica y ser capaces de mantener un buen rendimiento bajo tasas de deformación. El vidrio electrónico tiene una alta resistencia a la tracción pero poca tenacidad, mientras que el material Kevlar tiene baja densidad, alta resistencia, buena tenacidad, resistencia a altas temperaturas y es fácil de procesar y formar. El boro tiene las características de baja densidad, alta resistencia específica y alto módulo elástico.
1.3 Características de los nuevos materiales compuestos de placas cerámicas antibalas.
Los nuevos paneles antibalas cerámicos compuestos tienen ventajas incomparables sobre los paneles antibalas tradicionales. Consulte la Tabla 3 para comparaciones específicas.
(1) Puede resistir múltiples impactos de bala.Este material puede soportar el impacto continuo de múltiples balas sobre la misma superficie al mismo tiempo sin que el conjunto se rompa. Solo formará agujeros de bala aproximadamente circulares en la superficie sin afectar el efecto a prueba de balas de otras partes del material.
(2) Tiene buena designabilidad estructural.Las placas cerámicas compuestas pueden producir deformaciones por flexión en los ángulos correspondientes y pueden volver a su forma original después de la deformación. Se pueden diseñar en materiales cerámicos compuestos a prueba de balas en varias formas, como superficies planas, curvas e inclinadas.
(3) Puede repararse y reutilizarse.Después de ser alcanzado por una bala, los agujeros circulares de bala en la superficie se pueden rellenar con cuerpos cerámicos a prueba de balas y volver a combinarlos con pegamento a prueba de balas para recuperar el rendimiento del material original.
(4) Alta confiabilidad en uso.Este material utiliza de manera integral las propiedades balísticas de las placas cerámicas de alto rendimiento, las placas UHWMPE y las placas TC4, lo que hace que la resistencia balística sea mejor que la de los materiales individuales y puede bloquear eficazmente diversas especificaciones de pistolas y bombas penetrantes de calibre pequeño y mediano relacionadas.
(5) La tecnología tiene alta madurez y gran capacidad de diseño.Este material ya tiene un proceso de producción bastante maduro y puede diseñarse de acuerdo con las necesidades individuales según las necesidades reales para satisfacer diferentes necesidades a prueba de balas.
1.4 Problemas con los materiales compuestos antibalas actuales
Dado que los materiales compuestos a prueba de balas se componen de una variedad de materiales, la falta de homogeneidad, la anisotropía, las relaciones constitutivas complejas, los mecanismos de falla complejos y los criterios de resistencia complejos de los materiales compuestos son la mecánica principal de los materiales compuestos y sus estructuras. características, aumentando así la complejidad y dificultad del análisis, cálculo, ensayo y diseño de materiales compuestos, sus estructuras y mecanismos de protección. Hasta ahora, los materiales compuestos a prueba de balas todavía presentan los siguientes problemas.
(1) Absorción de energía insuficiente.La energía no absorbida de los materiales a prueba de balas durante su uso causará pérdidas al personal y a la propiedad, y el poder destructivo de las armas también aumentará con la mejora de las armas. Por lo tanto, las futuras investigaciones y aplicaciones deberían centrarse en mejorar el rendimiento a prueba de balas y la seguridad de los materiales en este aspecto. .
(2) El peso no es lo suficientemente ligero.El peso de los materiales compuestos a prueba de balas es un factor importante para determinar si pueden promocionarse y utilizarse. Por lo tanto, el peso de los materiales compuestos a prueba de balas debe reducirse tanto como sea posible garantizando al mismo tiempo una buena resistencia a prueba de balas.
(3) Fortalecimiento y endurecimiento de las contradicciones.Especialmente en el caso de los materiales compuestos cerámicos a prueba de balas, esta contradicción suele ser difícil de superar. Agregar ciertos materiales endurecedores a materiales compuestos a prueba de balísticas puede reducir la resistencia del material. Sin embargo, si se aumenta la resistencia del material, se puede reducir la tenacidad del material. Por lo tanto, se requieren muchas pruebas para encontrar la resistencia y tenacidad más adecuadas del material a prueba de balísticas. .
(4) En cuanto a la compatibilidad de los materiales compuestos, incluidas las características físicas, químicas, mecánicas y de otro tipo, los materiales compuestos pueden integrar varias características para proporcionar una mejor protección.
Además, también hay cuestiones como la interfaz y el precio, que no se han resuelto del todo.
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Material compuesto de aramida a prueba de balas
2.1 Mecanismo a prueba de balas
Cuando el material de fibra a prueba de balas se somete a energía de impacto, se estirará y deformará. La energía absorbida por la fibra se convertirá en el trabajo necesario para su deformación. El trabajo necesario para su deformación por tracción y fractura es la energía de fractura, también conocida como trabajo de fractura. , la energía de fractura de la fibra está relacionada con el número de fibras que participan en la fractura por deformación por tracción. El parámetro que mide las propiedades antibalísticas de las fibras es la tasa de absorción de energía de la fibra (energía de rotura por unidad de masa de fibra).
Cuando los materiales de fibra a prueba de balas son impactados por un impacto externo, la tensión longitudinal generada por el impacto se propagará rápidamente en todas direcciones en el material de fibra, formando una "onda de choque" (es decir, una onda de sonido). La velocidad del sonido en los materiales de fibra a prueba de balas afectará la difusión instantánea de energía, lo que determina la cantidad de fibras involucradas en la absorción de energía, afectando así el efecto a prueba de balas del material. Por tanto, la velocidad del sonido en la fibra es otro parámetro importante que afecta el rendimiento balístico de la fibra.
Las formas de las fibras en materiales a prueba de balas incluyen rectas y curvas. Si la forma de la fibra del material es recta, la energía se propagará a lo largo de la dirección axial de la fibra sin reflexión y, por lo tanto, se extenderá lejos y rápidamente; si la forma de la fibra es curva, o si la fibra tiene roturas, los puntos de flexión o roturas de la fibra reflejarán parte de la energía, reduciendo el rango de difusión instantánea y también se reducirá el efecto a prueba de balas del material. . Se puede ver que el efecto a prueba de balas de la tela bidimensional de fibra será mejor que el de la tela de tejido tafetán.
La transferencia de energía suele ir acompañada del contacto entre fibras dentro de una misma capa o entre capas. Durante la transmisión de la energía del impacto, la reflexión de la energía ocurre dentro de las interfaces de todos los materiales, y las situaciones son diversas y complejas. Por lo tanto, la ruta de propagación más eficaz de la energía del impacto es la difusión a lo largo del eje de la fibra.
2.2 Principales factores que afectan el rendimiento de los materiales compuestos de aramida a prueba de balas
El rendimiento de los materiales compuestos a prueba de balas se ve afectado principalmente por el módulo y el contenido del material de la matriz, las propiedades del material de la fibra, el método de tejido y el proceso de la fibra.
2.2.1 Efecto del módulo de resina de la matriz sobre las propiedades balísticas de los materiales compuestos
Debido a que la resina de matriz de bajo módulo tiene buenas propiedades de amortiguación y favorece la absorción de energía, los laminados hechos de resina de matriz de bajo módulo tienen mejores efectos a prueba de balas que la resina de matriz de alto módulo.
2.2.2 Efecto del contenido de resina de la matriz sobre las propiedades balísticas de los materiales compuestos
El contenido de resina de la matriz tiene un impacto muy importante en las propiedades balísticas de los materiales compuestos. Aumentar el contenido de volumen de fibra en los materiales compuestos mejorará las propiedades balísticas, pero si el contenido de volumen de fibra es demasiado alto, las propiedades balísticas disminuirán. Debido a que la resina de matriz en el material compuesto puede transmitir tensión en la unidad estructural, pero si el contenido de volumen de fibra es demasiado alto, el contenido de matriz en el material compuesto será demasiado pequeño, lo que resultará en una reducción en el rendimiento de unión entre la resina y la fibra y entre la fibra y la fibra, afectando así a la integridad del laminado, las propiedades elásticas del material compuesto también disminuirán. El contenido de volumen de fibra se refiere al porcentaje del volumen de fibra en la tela con respecto al volumen total de la tela, que se puede convertir en densidad de área. La densidad del área es un factor importante para medir la aplicabilidad real de los paneles antibalas. Si puede cumplir con los requisitos de protección, la densidad del área debe ser lo más pequeña posible durante el diseño y la aplicación, de modo que el costo y el peso se puedan reducir considerablemente.
2.2.3 Efecto de la densidad del área del laminado sobre el rendimiento balístico del laminado
Habrá una tendencia a que las fibras se deslicen cuando los proyectiles penetren en el laminado, y algunas fibras no podrán reducir la penetración del proyectil. Si la densidad del área aumenta, la energía absorbida del laminado aumentará, lo que indica que su resistencia balística aumenta con el aumento de la densidad del área. El rendimiento balístico del laminado sin trama es mejor que el del laminado de tejido liso.
2.2.4 Efecto de la estructura del tejido de fibras sobre las propiedades balísticas de los laminados
En comparación con las telas satinadas y de ligamento tafetán, las telas bidimensionales tienen el grado más bajo de procesamiento y la menor pérdida de resistencia de la fibra. Las fibras del tejido estarán dispuestas en paralelo en líneas rectas, con el mayor valor de retención de fuerza. Dado que no hay puntos de superposición directa entre las fibras, la tasa de contracción es básicamente cero, lo que reduce efectivamente la reflexión de las ondas de tensión y evita la concentración de tensión en puntos locales cuando los proyectiles impactan. Por lo tanto, la energía de absorción de rotura de la tela bidimensional es alta. Debido a que la estructura de la tela bidimensional es suelta, favorece la absorción de energía, lo que la convierte en el mejor rendimiento a prueba de balas.
2.2.5 Efecto del número de capas de tejido sobre las propiedades balísticas de los laminados
Los tejidos de baja densidad superficial tienen mejores propiedades balísticas. La resistencia balística de los materiales compuestos está determinada por los hilos trenzados utilizados para las fibras del material, el tejido del tejido, el número de capas de cada capa y la disposición de las fibras. Bajo un peso determinado, cuanto más delgada y apretada sea la trenza y cuantas más capas tenga el material, mejores serán las propiedades balísticas del material. Cuando la densidad superficial del material balístico es constante, se deben considerar tejidos con más capas y menor densidad en una sola superficie. Al mismo tiempo, mejorar el rendimiento de la propia fibra también mejorará la resistencia balística del material.
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Aplicaciones y tendencias de desarrollo
Los materiales compuestos avanzados resistentes a balísticas tienen una alta resistencia específica, módulo específico, diseño y versatilidad, y son indispensables en muchas aplicaciones militares. Son factores básicos en el diseño y tecnologías clave para la protección personal y armas y armamentos avanzados. Por lo tanto, para una organización, si puede ingresar a este campo de investigación y aplicación y convertirse en un proveedor calificado de un determinado tipo de producto, será de gran importancia estratégica en términos de beneficios tanto sociales como económicos.
Los materiales compuestos tienen buen desempeño porque combinan las respectivas ventajas de los materiales de refuerzo y las matrices. También son los materiales antibalas más prometedores y de más rápido crecimiento. Los materiales a prueba de balas se están diversificando y combinando gradualmente, y han surgido varios materiales nuevos a prueba de balas con alta dureza y alta tenacidad para abordar problemas de protección más complejos. Con el desarrollo de sistemas de blindaje livianos y eficientes, las ventajas de la cerámica a prueba de balas y los materiales compuestos a prueba de balas reforzados con fibra se han vuelto cada vez más prominentes. Los nuevos paneles cerámicos compuestos a prueba de balas tienen ventajas incomparables con los paneles a prueba de balas tradicionales, pero los problemas existentes no se pueden ignorar, por lo que nos enfocamos en Para resolver los problemas existentes en los materiales compuestos a prueba de balas, el enfoque de investigación actual es la optimización continua de las propiedades del material.
